分享：钒含量对4Cr5Mo2V钢显微组织与力学性能的影响

黄 山1,2,吴日铭1,2,陈 蒙1,2,胡 涛1,2,董锦桦1,2 

(上海工程技术大学1.材料工程学院,2.上海市激光先进制造技术协同创新中心,上海 201600) 

摘 要:以 的试验钢,并进4行Cr了5Mo2V 钢的化学成分为基础,制备了钒质量分数分别为0.15%,0.55%,1.25% 1040 ℃真空淬火和不同温度(540,620 ℃)回火处理,研究了钒含量对试验钢 显微组织、硬度和冲击韧性的影响。结果表明:随着钒含量增加,回火处理后试验钢组织中的晶粒 均发生细化,析出的 VC型碳化物数量增加,晶粒细化和析出强化作用增强,导致硬度提高;650 ℃ 回火时的析出碳化物数量较多,导致基体发生软化,硬度相比于540 ℃回火有所下降。540 ℃回火 后,钒含量为0.15%,0.55%试验钢发生韧性断裂,后者的冲击韧性更好,冲击吸收功达到265J;当 钒含量增至1.25%时试验钢发生脆性断裂,冲击吸收功仅为26J。620 ℃回火后,3种试验钢均发 生韧性断裂,冲击吸收功均在200J以上。

关键词:4Cr5Mo2V 钢;冲击韧性;显微组织;碳化物;钒 

中图分类号:TG162.41 文献标志码:A 文章编号:1000-3738(2022)07-0070-06

0 引 言 

Cr-Mo-V 系热作模具钢因使用寿命较长而得 到了广泛应用。DIEVAR 钢是在 H13钢基础上通 过降钒升钼而得到的 Cr-Mo-V 系模具钢,具有较好 的强韧性、较高的热导率和耐热疲劳性能[1-4],但是 经长时间使用后也会产生由热疲劳引起的龟裂和塑 性变形等问题[4-6]。研究表明,调整合金元素成分是 改善模具钢组织与性能的主要方式[7-9]。钒元素是 强碳氮化物形成元素。在 Cr-Mo-V 系钢中增加钒 元素,在回火过程中固溶的钒以 V(C,N)化合物形 式析出,可以起到明显的析出强 化 作 用[8,10];并 且 VC碳化物细小弥散,稳定性高,可以显著提高二次 硬化作用。因而少量的钒就能显著增强模具钢的高 温强韧性和回火稳定性[8,10-13]。然而,过量钒的添 加会引起基体中钒的不均匀分布,导致回火时形成 VC共晶碳化物,使得钢的冲击韧性变差[9,14]。目 前,不同钒含量对 Cr-Mo-V 系模具钢组织和性能的 影响还缺乏系统的研究。

国产模具钢中 4Cr5Mo2V 钢的化学成分接近 于 DIEVAR钢种。因此,作者以4Cr5Mo2V 钢的化 学成分为基础,设计了钒质量分数分别为0.15%, 0.55%,1.25%的试验钢,并进行了真空淬火和不同 温度回火处理,研究了钒含量对试验钢显微组织、硬 度和冲击韧性的影响。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备 

按照4Cr5Mo2V 钢的名义化学成分,并且将钒 质量分数分别调整为0.15%,0.55%,1.25%进行配 料。采用真 空 感 应 熔 炼 炉 将 石 墨 和 纯 铁 加 热 至1400~1500 ℃完全熔化,熔炼成基质铁液;向基质 铁液中加入硅铁、锰铁、铬、钼和钒等金属,加热至 1600~1750 ℃完全熔化,熔炼成钢液;将钢液注入 预热的钢锭模具中,保温3~4h后脱模。去除钢锭 表层氧化皮及缺陷,将余料钢锭置于天然气加热炉 中,加热至1240 ℃保温2h进行均质化处理,再降 温至1180℃锻打拔长至尺寸为30mm×55mm× 500mm(厚 度 × 宽 度 × 长 度)的 钢 条,锻 后 进 行 740℃等温球化退火处理。试验钢实测化学成分如 表1所示。 

在钢条上切取尺寸为30mm×50mm×55mm 的试样,按照图1所示工艺依次进行真空淬火处理 和回火处理,真空淬火温度为1040 ℃,回火温度分 别为540,620 ℃。

1.2 试验方法

在热处 理 后 的 试 样 上 切 取 尺 寸 为 10 mm× 10mm×6mm 的金相试样,经砂纸粗磨、抛光,用 体积分数为4%的硝酸酒精溶液腐蚀10~15s后, 采用4XCJX型倒置三目光学显微镜观察显微组织。 采用 OXFORDVEGA3型扫描电镜(SEM)观察微观 形貌,用电镜附带的能谱仪(EDS)分析组织中析出物 的化学成分。

采用 HR-150A型洛氏硬度计进行硬度测试,每 个试样取6点,去掉最大值和最小值后取平均值。根 据北美压铸协会标准 NADCA#207-2016,在热处理 后的试样上截取尺寸为7mm×10mm×55mm 的冲 击试样,采用PIT452D型金属摆锤冲击试验机进行冲 击试验,各测3个试样的冲击吸收功并取平均值。使 用 OXFORDVEGA3型扫描电镜观察冲击断口形貌。

2 试验结果与讨论 

2.1 显微组织

由图2可以看出:经淬火和540℃回火后,含质 量分数0.15%钒的试验钢组织中产生大量粗大的 回火索氏体,其中的白色粗大组织为铁素体,其组织 粗 化现象较明显;当钒含量(质量分数,下同)增至0.55% 时,试 验 钢 的 晶 粒 尺 寸 相 比 于 钒 含 量 为 0.15%时细小;当钒含量增至1.25%时,试验钢的组 织更加均匀,晶界分明,晶粒最细。620 ℃下回火后 不同钒含量试验钢的组织均比较均匀,晶粒细小,并 且随着钒含量的增加,晶粒尺寸减小。经两种温度 回火处理后,试验钢的晶粒均随钒含量增加而发生 细化,这与已有研究[11-12]得到的合金元素钒在模具 钢中具有细化晶粒作用的结论一致。

2.2 SEM 形貌和微区成分 

由图3可以看出,经淬火和不同温度回火后,不 同钒含量试验钢中析出的碳化物大多位于晶界,其 中钒含量为1.25%时碳化物的晶界析出现象最为 明显。在540 ℃下回火后,钒含量0.15%试验钢中 析出的碳化物最少,呈细杆状,尺寸为10~100nm;当钒含量增至0.55%时,碳化物数量增多,呈细杆 状和部分短棒状,尺寸为10~100nm;当钒含量增 至1.25% 时,析 出 碳 化 物 多 为 椭 球 形,尺 寸 增 至 50~200nm。在620 ℃下回火后,钒含量0.15%试 验钢中的析出碳化物最少,呈细杆状,尺寸为10~ 100nm;当 钒 含 量 增 至 0.55% 时,碳 化 物 数 量 增 多,呈细杆状和部分椭球状,尺寸在10~200nm; 当钒含量增至1.25%时,析出碳化物多为椭球形, 尺寸增至50~200nm。综上:不同温度回火后,随 着钒含量增加,析出碳化物数量增加,并且尺寸增 大;此外,由 于 提 高 回 火 温 度 后,合 金 元 素 扩 散 加 剧,因 此 620 ℃ 下 回 火 后 的 析 出 碳 化 物 明 显 比 540 ℃下回火 时 多,并 且 在 钒 含 量 为 0.55% 时 就 出现了椭球形碳化物。

由图4可以看出,试验钢中的椭球形碳化物含 钒量较多,含钼量较少。根据文献[8-10]的研究结 果,即回火后固溶的钒以 V(C,N)的形式析出,推断 椭圆型碳化物大多为 VC 型。根据表1可知,3种 试验钢中的钼元素含量基本不变,如果回火析出的 是大量 Mo2C 碳化物,则图3中所展示的析出碳化 物不应该分布不均匀。据此进一步确定椭球形碳化 物为 VC型碳化物。

2.3 硬度与冲击吸收功

由图5(a)可知:540 ℃回火后不同钒含量试验 钢的硬度均不低于52 HRC,并且均高于620 ℃回 火;两种回火温度下,硬度均随着钒含量增加而提 高。结合图3分析可知:随着钒含量增加,回火后试 验钢中析出的碳化物增多,钉扎在晶界处阻碍位错 运动的碳化物随之增多,析出强化作用增强[8,10,15], 因此硬度增大;但随回火温度升高,试验钢中析出 VC型碳化物数量增多,导致基体发生软化,减弱了 析出强化作用[15],因此620 ℃回火后试验钢的硬度 低于540 ℃回火后。

由图5(b)可知:在540 ℃下回火后,钒含量为 1.25%试验钢的冲击吸收功仅为26J,远低于钒含 量为0.15%和0.55%时,钒含量为0.55%时的冲击 吸收功最高,达265J;在620℃下回火后,不同钒含 量试验钢的冲击吸收功均高于200J,并且钒含量为 0.15% 和 1.25% 试 验 钢 的 冲 击 吸 收 功 均 远 高 于 540 ℃ 下 回 火 后。540 ℃ 下 回 火 后,钒 含 量 为 1.25%试验钢的组织分布不均匀,椭球形 VC 碳化 物在晶界处聚集,碳化物之间相互作用,使得组织内部产生较大的内应力,导致了冲击性能的恶化[9,14]。 高于脆性断裂温度时冲击能量的增加与基体软化和 碳化物颗粒粗化有关[16]。620 ℃回火后,钒含量为 1.25%试验钢中的椭球形 VC 碳化物进一步增多, 且碳化物均匀分布在基体和晶界处,试验钢基体软 化程度增加,使得析出强化作用减弱,进而改善了冲 击韧性。

2.4 冲击断口形貌

由图 6 可 以 看 出:540 ℃ 回 火 后,钒 含 量 为 0.15%,0.55%试验钢的冲击断口局部区域存在许 多尺寸不足10μm 的小韧窝,说明这两种钢的断裂 方式为韧性断裂[3,9],并且钒含量为0.55%试验钢 断口上的韧窝相对于钒含量为0.15%时更深一些, 故而冲击韧性更好[3];当钒含量增至1.25%时冲击 断口上存在许多解理小平面和一些河流花样,说明 其断裂方式为脆性断裂[3,17-18]。620 ℃下回火后,3 种钒含量试验钢的冲击断口上均出现大量韧窝,说 明均发生了韧性断裂。

3 结 论 

(1)两种温度 回 火 处 理 后,随 着 钒 含 量 增 加, 试验钢组织中的晶粒不断细化,析出的 VC型碳化 物数量增加,尺寸增大;620 ℃回火后的组织都比 较均匀,相比 于 540 ℃ 下 回 火 后 析 出 碳 化 物 数 量 明显增多。 (2)随着钒含量增加,回火后析出的 VC 型碳 化物增多,析出强化作用增强,各试验钢硬度随之提 高;但回火温度升高后,析出相增多使得试验钢基体 出现软化现象,导致硬度降低。 (3)540 ℃回火后,钒含量为0.15%,0.55%试 验钢发生韧性断裂,并且钒含量为0.55%时的冲击 韧性更好,冲 击 吸 收 功 达 到 265J;当 钒 含 量 增 至 1.25%时试验钢发生脆性断裂,冲击吸收功急剧下 降,仅为26J。620 ℃下回火后,3种钒含量试验钢 均发生韧性断裂,冲击吸收功均在200J以上。

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